125K非接觸ID卡讀卡器設(shè)計(jì)

　　0引言

　　無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用感應(yīng)、電磁場(chǎng)或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式雙向通信、獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)完成識(shí)別工作時(shí)無須人工干預(yù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)射頻卡，操作快捷方便，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　目前存在的一些讀卡器，都需要讀卡芯片作為基站，成本較高。本文介紹了一種采用分立元件構(gòu)成的125 kHz RFID閱讀器，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本極低，用于讀取EM4100型ID卡。

　　1 RFID系統(tǒng)的分類

　　RFID系統(tǒng)的分類方法有很多，在通常應(yīng)用中都是根據(jù)頻率來分，根據(jù)不同的工作頻率，可將其分為以下四種：(1)低頻(120～135 kHz)。該頻段具有很強(qiáng)的場(chǎng)穿透性，使用不受限制，性能不受環(huán)境影響，價(jià)格低廉，最大識(shí)別距離一般小于60 cm，主要應(yīng)用于門禁、“一卡通”消費(fèi)管理、車輛管理等系統(tǒng);(2)高頻(10～15 MHz)。該頻段與低頻相比，具有防沖撞、能同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)，但其性能受環(huán)境影響，識(shí)別距離一般小于100 cm，主要應(yīng)用于圖書管理、物流等系統(tǒng);(3)超高頻(850～960 MHz)。該頻段較高頻相比，具有可實(shí)現(xiàn)長距離識(shí)別的的優(yōu)點(diǎn)，最大識(shí)別距離可達(dá)10 m，但其性能受環(huán)境影響較大，價(jià)格也較貴，主要應(yīng)用于鐵路車輛識(shí)別、集裝箱識(shí)別等系統(tǒng);(4)微波(2.45～5.8 GHz)。該頻段可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別，識(shí)別距離可達(dá)100 m，但其價(jià)格也最貴，主要應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中。

　　2 RFID系統(tǒng)的組成

　　射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標(biāo)簽、天線三部分組成。

　　(1)閱讀器：讀取或讀/寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。一臺(tái)典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與應(yīng)答器連接的耦合元件。此外，許多閱讀器還有附加的接口(RS 232，RS 485等)，以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)(如個(gè)人計(jì)算機(jī))，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　讀卡器設(shè)計(jì)-中國一卡通src="http://www.yktchina.com/userfiles/4(758)。jpg" width=510>

　　(2)電子標(biāo)簽(應(yīng)答器)：由芯片及內(nèi)置天線組成，芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，放在被識(shí)別物體上，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息，它是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)置天線用于和射頻天線間進(jìn)行通信。通常，應(yīng)答器沒有自己的供電電源，只有在閱讀器的響應(yīng)范圍以內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。

　　(3)天線：標(biāo)簽與閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

　　3硬件電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)以AVR系列單片機(jī)ATmega8作為微控制器。Atmel公司的AVR是8位單片機(jī)中第一個(gè)真正采用RSIC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，它采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級(jí)流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得AVR單片機(jī)具有高達(dá)1 MLPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力。

　　讀卡器設(shè)計(jì)-中國一卡通src="http://www.yktchina.com/userfiles/5(542)。jpg" width=503>

　　硬件電路如圖2所示，在圖2中①為載波產(chǎn)生及功率放大電路，由單片機(jī)的T/C2工作于CTC模式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)125 kHz載波信號(hào)，經(jīng)過限流電阻R1后送入推挽式連接的三極管功率放大電路，放大后的載波信號(hào)通過天線發(fā)射出去。天線L1與電容C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz，諧振電路的作用是使天線上獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大的磁通量，獲得更大的讀卡距離。②為檢波電路，檢波電路用來去除125 kHz載波信號(hào)，還原出有用數(shù)據(jù)信號(hào)。R2，D1，R3，C2構(gòu)成基本包絡(luò)檢波電路，C3為耦合電容，R4，C4為低通濾波電路，D2，D3為保護(hù)二極管，輸出接到濾波放大電路。③為濾波放大電路，濾波放大電路采用集成運(yùn)放LM358對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大，放大后的信號(hào)送入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的輸入捕捉引腳ICPl，由單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，從而得到ID卡的卡號(hào)。

　　4軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：125 kHz載波的產(chǎn)生和ID卡解碼。載波信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)簡單，可利用單片機(jī)的T/C2，使其工作于CTC模式，比較匹配時(shí)使輸出OC2取反便可得到125 kHz的方波。解碼軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較復(fù)雜，要對(duì)ID卡進(jìn)行解碼，首先應(yīng)掌握ID卡的存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)編碼方式。

　　4.1 EM4100數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

　　圖3是EM4100的64位數(shù)據(jù)信息，它由5個(gè)區(qū)組成：9個(gè)引導(dǎo)位、10個(gè)行偶校驗(yàn)位“PO～P9'‘、4個(gè)列偶校驗(yàn)位”PC0～PC3“、40個(gè)數(shù)據(jù)位”D00～D93“和1個(gè)停止位S0.9個(gè)引導(dǎo)位是出廠時(shí)就已掩膜在芯片內(nèi)的，其值為”111111111“，當(dāng)它輸出數(shù)據(jù)時(shí)，首先輸出9個(gè)引導(dǎo)位，然后是10組由4個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)行偶校驗(yàn)位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個(gè)列偶校驗(yàn)位，最后是停止位”0“。”D00～D13“是一個(gè)8位的晶體版本號(hào)或ID識(shí)別碼。”D20～D93“是8組32位的芯片信息，即卡號(hào)。

　　每當(dāng)EM4100將64個(gè)信息位傳輸完畢后，只要ID卡仍處于讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)，它將再次按照?qǐng)D3順序發(fā)送64位信息，如此重復(fù)，直至ID卡退出讀卡器的有效工作區(qū)域。

　　4.2 EM4100數(shù)據(jù)編碼方式

　　EM4100采用曼徹斯特編碼，如圖4所示：位數(shù)據(jù)“1”對(duì)應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)“0”對(duì)應(yīng)著電平上跳。在一串?dāng)?shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個(gè)相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時(shí)間間隔應(yīng)為1P.若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同(相鄰兩位均為“O”或“1”)，則在兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的(電平)“空跳”。電平的上跳、下跳和空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。在曼徹斯特碼調(diào)制方式下，M4100每傳送一位數(shù)據(jù)的時(shí)間是64個(gè)振蕩周期，其值由RF/n決定。若載波頻率為125 kHz，則每傳送一位的時(shí)間為振蕩周期的64分頻，即位傳送時(shí)間為：1P=64/125 kHz=512μs，則半個(gè)周期的時(shí)間為256μs.

　　4.3解碼軟件設(shè)計(jì)

　　ATmega8單片機(jī)T/C1的輸入捕捉功能是AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的一個(gè)非常有特點(diǎn)的功能，T/C1的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個(gè)外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時(shí)間印記。當(dāng)一個(gè)輸入捕捉事件發(fā)生時(shí)，T/C1的計(jì)數(shù)器TCNTl中的計(jì)數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICRl中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位ICFl，產(chǎn)生中斷申請(qǐng)?？赏ㄟ^設(shè)置寄存器TCCRlB的第6位ICESl來設(shè)定輸入捕捉信號(hào)觸發(fā)方式。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的輸入捕捉功能進(jìn)行解碼。

　　由曼徹斯特編碼特點(diǎn)可知，每位數(shù)據(jù)都由半個(gè)周期的高電平和半個(gè)周期的低電平組成，因此可將一個(gè)位數(shù)據(jù)拆分為兩位，即位數(shù)據(jù)“1”可視為“10”，位數(shù)據(jù)“O”可視為“01”，則64位數(shù)據(jù)可視為由128位組成。為了獲得完整且連續(xù)存放的64位ID信息，在此接收兩輪完整的64位數(shù)據(jù)，即接收256位。則上一輪接收到的停止位后緊跟著的必然是本輪接收到的起始位，據(jù)此找出起始同步頭。再根據(jù)曼碼特點(diǎn)獲得ID卡的有效數(shù)據(jù)(“10”解碼為“1”：“01”解碼為“O”)并進(jìn)行LCR校驗(yàn)，若校驗(yàn)無誤，則將ID卡號(hào)輸出至PC機(jī)，并準(zhǔn)備下一次的解碼;否則，直接準(zhǔn)備下一次解碼。另外，在程序中首先定義一個(gè)數(shù)組bit[256]用來存放接收到的數(shù)據(jù);定義一個(gè)變量flag用來標(biāo)記256位數(shù)據(jù)接收完成;定義一個(gè)變量error用來標(biāo)記校驗(yàn)有錯(cuò)誤產(chǎn)生。由于無ID卡靠近讀卡器的有效工作區(qū)時(shí)，單片機(jī)輸入捕捉引腳輸入的是高電平，因此在主程序中先設(shè)定為下降沿觸發(fā)，清零計(jì)數(shù)器TCNTl，打開T/C1的輸入捕捉功能。主程序流程圖如圖5所示。